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煤作为世界上最重要的化工原料和主要能源（王震等，2016; 王佟等，2017），直接燃烧不仅无法对其物尽其用，还会造成资源的大量浪费及严重的环境污染（Khankari and Karmakar，2018）。依据国家“双碳”目标和当前煤炭清洁、低碳、高效利用的发展趋势，显微煤岩组分科学分类及深入分析可为煤炭高效转化的实现提供决策和技术支撑（孔维璐，2021; 吴天才等，2022）。显微煤岩组分研究即是从源头出发，发展煤的分级分质利用，提高煤转化效率，符合煤炭清洁高效利用的长远发展趋势（ Li Peng et al.，2019; 史航等，2019; 赵云鹏等，2019）。随着国内外煤地质和煤化工的广泛应用，显微煤岩组分术语的差异和混用问题层出不穷，厘清二者差异和对应关系成为了系统研究显微煤岩组分的前提和基础，唯有规范使用术语才能更好的进行工业应用和国内外学术交流。
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显微煤岩组分分析作为煤地质学重要的基础研究内容，近年来在泥炭沼泽地古气候、古环境分析（姜寿恕等，2023）、煤层气勘探开发（ 许浩等，2016）、煤化工（吴天才等，2022）和煤矿采空区 CO2 地质封存（周晋辉等，2024）等方面的应用越来越广，受到了广大地质学者的持续关注。古野火这一自然现象百万年来一直作为影响和调节全球生态气候的枢纽（占长林等，2011），它的发生对古生物群落演替（张潇等，2024）、古气候分析和地质历史时期的碳循环起着重要影响作用，而识别古野火事件则是研究的前提（Degani-Schmidt et al.，2015; El Atfy et al.，2019; Scott and Damblon，2010）。随着对指示古野火事件的显微标志物———惰质组的发现与研究，越来越多学者借助它的含量和空间分布对古野火特征进行研究，进而来揭开聚煤期古生态气候和古环境演化的神秘面纱。另外，古野火事件中显微煤岩组分分析还可以厘定古大气成分，有学者基于大量的惰质组含量数据，重建了中国各聚煤期大气氧含量变化曲线，结果显示整个显生宙氧含量在 15% 至 30% 之间波动（ Wang Dongdong et al.，2021），在古气候和古环境厘定的基础上进一步推断古生态群落演替规律（Shao Longyi et al.，2023）。
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本次研究在对比国内和国际显微煤岩组分分类的基础上，综述了显微煤岩组分分析在古气候、古大气成分及氧含量厘定等方面的进展，提出了显微煤岩组分分析的应用展望，有助于人类探究当前环境下全球气候变暖和关键地质历史时期古生物灭绝的原因。
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1 显微煤岩组分分类
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1.1 显微煤岩组分分类方案的发展进程
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显微煤岩组分划分和命名是煤岩学研究的基础。近几十年来，随着煤炭工业的发展和国际学术交流日益增多，国内和国际显微组分分类及命名方案亟待提出并完善。基于此背景，我国在 20 世纪 80 年代初期便成立了中国煤田地质专业委员会煤岩学组。委员会的成立为我国《烟煤显微组分分类》方案的研究与更迭奠定了基石，从成立至今先后制定烟煤显微组分分类 GB / T15588-1995、GB / T15588-2001 和 GB / T15588-2013 3 个分类方案。这 3 个分类方案中烟煤显微组分的分类名称和代号，适用于烟煤的资源评价、加工利用和成因研究等方面的生产、科研及教学工作，与我国煤炭工艺性质与国情相适配，为国内学者进行煤岩学以及显微煤岩组分分析等方面提供统一术语。这 3 个分类方案皆采用成因与工艺性质相结合的原则，以显微镜油浸反射光下的特征为主，结合透射光和荧光特征进行分类。首先根据煤中有机成分的颜色、反射率、突起、形态和结构特征，划分出显微组分组; 再根据细胞结构保存程度、形态、大小以及光性特征的差别，将显微组分组进一步划分为显微组分和显微亚组分。上述 3 个分类方案在引用标准、具体分类方案（即显微组分组、显微组分、显微亚组分等）和特征描述等诸多方面不断更新，例如国标 1995 版划分出了半镜质组、菌类体及其相关显微亚组分，后续更新的国标 2001 版删去了半镜质组和菌类体并新增了分泌体和真菌体，并在 1995 版的基础上增加了显微组分的英文名称。目前没有单独的无烟煤显微组分分类方案国家标准，煤化程度与烟煤相近的无烟煤可参照使用 GB / T15588-2013 的分类方案。
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褐煤是煤化程度最低的煤，其有机质中保留了较多原始成煤植物分解过程中的特征，因而与烟煤、无烟煤的显微组分有明显的不同。中国国家标准暂时缺乏有关褐煤显微煤岩组分的分类方案，有关 《木质褐煤显微组分分类》 于 2023 年 12 月方才正式起草，目前一般使用《国际煤岩学手册》和“ ICCP system 1994”中有关腐植体的显微组分定义和分类方案，将褐煤显微组分划分为腐植组、惰质组和稳定组等 3 个显微组分组。国际煤岩学委员会（ ICCP）工作小组于 2005 年对原方案中腐植体的分类进行了修订（Sýkorová et al.，2005），将无结构腐植体这一显微组分组（ Humocollinite）更改为凝胶腐植体（Gelohuminite），并删去了显微亚组分结构腐木质体（Texto-ulminite）和充分分解腐木质体（ Euulmminite），同时将木质结构体和腐木质体显微组分细分为两类显微组分种（A—暗色，B—浅色），该方案适用于褐煤和亚烟煤（Sýkorová et al.，2005; 代世峰等，2021a）。当褐煤演变成烟煤后，褐煤的 3 个显微组分组分别与烟煤的镜质组、惰质组和类脂组相当，两者的主要区别在于腐植组和镜质组，但腐植组和镜质组以及各自次级的显微组分、亚组分之间基本上能做到一一对应。另外，煤化程度与烟煤接近的褐煤也可参照使用 GB / T15588-2013 的分类方案。
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1.2 国内外显微煤岩组分分类的异同
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国外学者对煤炭分类研究可追溯到 19 世纪 20 年代，有关显微煤岩组分的研究在显微镜应用普及后进入了快速发展阶段。煤的显微组成复杂多变，各组分镜下特征不一且性质差异较大，这既为其分类工作提供了研究依据，但同时也在一定程度上加大了分类研究的难度。目前，国内外显微煤岩组分的研究多集中在烟煤，且变质程度与烟煤相似的褐煤和无烟煤显微组分分类也可以参照烟煤进行，因此在综合对比国内外主流的烟煤显微煤岩组分分类方案基础上，总结了各方案在分类依据和分类类别等方面的差异。
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国际上有关显微煤岩组分的分类方案具体分为两类，首先提出的是 Stopes Heerlen 烟煤显微组分分类方案，但随着煤岩学工作的推进与更迭该方案已然无法与相关研究适配（ Stopes，1935）。为制定出适配性和全面性高且便于煤岩学研究使用的分类方案，ICCP 在前人工作的基础上制定并修改了分类方案的内容，以反射光下的观察特征为依据重新确立了有关镜质体、惰质体、腐植体和类脂体的定义和分类，并将该分类方案统一命名为“ICCP system 1994”（代世峰等，2021b，2021c）。 Stopes Heerlen 分类系统与“ICCP system 1994”的不同点在于:①后者提出了显微组分组、显微组分亚组、显微组分 3 个类别，前者分类方案并无亚组这一类别。 ②两者分类依据不同。后者将反射率高低、植物组织的破坏程度以及形态和凝胶化程度作为划分依据; 在该方案中还删减了部分不太常用的参数（如折射率等），同时增加了显微组分的化学特征描述; 使用低阶煤、中阶煤和高阶煤分别代替了褐煤、烟煤和无烟煤; 将随机反射率 0.5% Rr 作为低、中阶煤的分界线（ ICCP，1998; 代世峰等，2021b）; 且后者镜质组的分类常常适用于中、高阶煤以及相应变质程度的沉积岩中分散的有机物; 惰质组和类脂组分类则适用于所有煤化作用程度的煤。
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目前使用最广泛的显微煤岩组分分类方案是中国国家最新标准 GB / T15588-2013 和由 ICCP 划分的“ ICCP system 1994”，两者所包含内容十分详尽且全面，但在分类依据和分类类别等方面存在着部分差异（表1）。笔者等统一采用中国国家标准分类方案对显微煤岩组分专业术语进行叙述。两者显微煤岩组分具体分类及对比见表2。分类结果对比来看，除类脂组划分有较大出入外，惰质组的显微（亚）组分完全可以做到一一对应，镜质组的显微（亚）组分基本上可以做到一一对应，不过是在成因和命名规则上有些许区别。因此，掌握国际和国内分类标准差异及其显微（亚）组分对应关系，有助于更有效的国内外煤岩学及其相关研究的交流和推广。鉴于目前国内外分类存异，建议根据研究习惯和交流对象合理选择分类方案，但需要明确不同分类方案下的显微（亚）组分类型。
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2 显微煤岩组分分析在古野火研究中的应用
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在第四纪之前地质时期的燃烧称作古野火事件（许云等，2022），植被的发育情况、气候干湿程度和大气中氧含量决定着野火的发生规模和频率（Brown et al.，2012）。由于古野火火源种类多，燃烧强度大，持续时间长，对生态系统破坏严重，已被列为世界十大自然灾害之一。泥盆纪陆地植被的出现为古野火的发生提供了燃料，久而久之古野火事件的发生与地球系统的演替变得更加密不可分（占长林等，2011）。惰质组，大多由植物组织在野火事件中不完全燃烧而产生，故又称丝炭或者化石木炭，国内外学者将其作为古野火事件的识别标志，分析古野火、成煤时期古气候和动植物群落演替三者之间的内在联系，在一定程度上有助于人类探究当前环境下全球气候变暖和古生物灭绝原因。
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2.1 惰质组的物质来源及成因
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中国现行国标 GB / T15588-2013 将惰质组的成因分为 3 个方面:①由木质纤维组织经过丝炭化作用转化而成，这类成因是惰质组显微组分的主要成因，如丝质体、半丝质体等; ②小部分来自真菌遗体，如真菌体; ③在热演化过程中形成的次生组分，如微粒体。目前学界对于惰质组的成因仍具争议，主要分为野火成因、氧化成因和生物成因 3 类。
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（1）野火成因:Schopf（1975）首次提出煤中惰质组是由大火燃烧形成的观点，经后人研究该观点被广泛接受并应用。 Stach 等（1982） 指出，丝质体和大部分半丝质体主要是由生物质燃料的不完全燃烧形成的。 Diessel（2010） 认为惰质组主要是野火成因，部分半丝质体有可能源于氧化成因。 Scott（2010）认为煤岩显微组分中的惰质组等同于化石木炭。煤中丝质体和半丝质体是惰质组最主要的显微组分，同时也都是古野火的指示物（Glasspool and Scott，2010），丝质体产生于较高温的热火，半丝质体产生于温度较低的冷火，二者反射率差异源于燃烧温度、时间和初始燃烧条件。除丝质体和半丝质体外，极少部分惰质组的显微组分可能并非源于野火成因，但它们的含量占比往往低于 10%（韩德馨和杨起，1980）且对惰质组成因判断的影响微乎其微（Diessel，2010），因此大多使用“惰质组的野火成因”替代“丝质体和半丝质体的野火成因”（邵龙义等，2024）。碎屑惰质体有不同植物组织来源（如植物细胞壁或其填充物、已分解组织中的鞣质、氧化孢子、真菌成分），它们都遭受过一定程度的丝炭化作用，很多碎屑惰质体来源于野火后的泥炭残骸（Goodarzi，1985a，b）。
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（2）氧化成因:该观点认为丝质体与半丝质体是在泥炭化作用阶段有机质经强烈氧化蚀变形成的，在氧化过程中脱水、失氧、失氢，从而富含碳，是有机质在泥炭沼泽中经缓慢氧化作用形成的（韩德馨，1996; Moore et al.，1996; Hower et al.，2023）。 Stach 等（1982）通过实验发现，在 100℃ 温度条件下结合浓硫酸的作用，不同煤阶煤的镜质组和惰质组反射率均有明显升高，但需要注意的是自然界很难达到该实验的强酸条件，同时氧化丝质体/ 半丝质体很难保存，且在大多数低阶煤中，惰质组的反射率明显高于镜质组，因此惰质组可能并非由氧化作用产生。
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（3）生物成因:研究表明部分粗粒体来源于真菌和细菌的代谢产物，孤立存在的粗粒体的集合体可能来自粪化石（Stach et al.，1982）。 O’Keefe 等（2013）认为有一些惰质组是由原始或腐蚀变质后的真菌材料发生生物化学变化而形成的。 Guo Yingting 和 Bustin（1998）对被真菌腐蚀的木材和未经腐蚀的木材进行燃烧实验，结果表明真菌并未直接参与木炭或煤中惰质组的形成，两种木材的木炭反射率都随着温度的升高而升高，真菌的参与往往会导致植物物质分解和破碎，提高植物的燃烧效率，进而产生惰质组。
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2.2 古野火识别的煤岩学标志
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古野火识别的方法包括煤岩学、多环芳烃、植物形态学、碳同位素和孢粉学等。其中煤岩学是含煤地层古野火识别的常用方法，借助煤中惰质组含量、惰质组反射率等参数判别古野火发生的频率、类型和强度。
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丝炭（ charcoal）或称炭屑、木炭，为生物材料（包括动物和植物体）缺氧时不完全燃烧所形成，它的化学性质极其稳定，因而很容易被沉积地层所保存，被认为是发生古野火的最重要也是最直接的证据，可作为研究古野火的理想标志物（ Patterson et al.，1987; Scott and Glasspool，2007; Friis et al.，2010）。沉积物中丝炭以植物木质素起源最为普遍，植物体受到剧烈高温时，组织中纤维素及细胞膜发生分解，生成大量挥发组分，其中包括 CO、CO2 及 CH4 等，而这些气体与大气中氧混合后燃烧，发生反应生成热，如果反应因缺氧停止，丝炭将被当作残余固体保存。 Scott（2000） 将丝炭作为古野火判别最主要的标志，并将其分为宏观丝炭（ >1 mm）、中观丝炭（180 μm~1 mm）和微观丝炭（ <180 μm）。后经对比研究认为:宏观和中观丝炭等同于煤中丝质体和半丝质体，微观丝炭等同于泥质岩中的丝质体（Scott，2010）。
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图1 野火在空间尺度上特征的指示标志（据 Cope and Chaloner，1980 和 Gavin et al.，2007 修改）
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Fig.1 Sign of wildfire features at spatial scale (modified from Cope and Chaloner, 1980; Gavin et al., 2007)
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野火发生的机制十分复杂，早期研究普遍认同其发生主要受到燃料条件和气候条件的影响。但随着对古野火的深入研究表明，气候与植被燃料所存在的差异对野火发生频率、强度等特征均存在显著影响，因此古野火的发生与发展状态不能仅仅利用现代火灾与植被的联系来解释。由于指示野火标志物的时空分布差异，除了百万年级别的丝炭研究，新的研究方向需要将现代火灾的实验、观测和卫星数据与涵盖千百年尺度的树木年轮记录、跨越千年时间尺度的海洋沉积物、湖泊沉积物、土壤和冰芯记录以及追溯到更早时间的地质档案联系起来（刘恋等，2012; 汪青，2012; Kang Shichang et al.，2022）（图1）。正是由于丝炭的性质稳定，可为具有千年甚至百万年历史的野火评价提供依据（ Cope and Chaloner，1980; 杜建峰等，2022），国外学者通过对英国志留纪侯墨期地层中的丝炭进行研究，将地球上最早的野火记录约束到约 430 Ma 前（Glasspool and Gastaldo，2022）。基于不同沉积物中野火发生标志物的研究，将今论古，可进一步了解在空间尺度上影响火灾发生和蔓延的因素，如燃料、天气和气候条件，以及植被和气候在构建大陆尺度火灾模式中的作用（Gavin et al.，2007）。
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2.3 惰质组分析在古野火研究中的应用
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（1）古野火的类型。惰质组反射率可恢复地史时期古野火燃烧温度、燃烧区域与野火类型等特征（Brown et al.，2012），惰质组反射率测定的主要目标是丝质体、半丝质体和碎屑惰质体（图2a—c）。利用孢粉学计数对惰质组进行定量可推测古野火发生的频率（Clark and Hussey，1996）。惰质组含量可指示野火发生时的植被种类（ Han Lei et al.，2023），若惰质组含量占比大而类脂组含量占比小时，指示着成煤时期植被种类主要是灌木、乔木（李鑫，2010; 龚清，2015）。研究认为当煤中惰质组含量大于 30%时，可称为“富惰质组煤”，当惰质组含量大于 50%时，称“惰质组煤”，惰质组富集主要是由频繁且强度较低的古野火引起（Zhou Jiamin et al.，2024）。在扫描电镜下，可以根据不同类型炭化植物组织的大致形态和解剖特征进行辨识（图2d— f），对宏观丝炭的解剖学研究可划分植被的具体种类，对其气孔密度进行圈定可指示古野火发生时大气中的二氧化碳含量，进而确定其对气候变化的影响（ Royer，2001; Friis et al.，2006; Wang Shuai et al.，2019）（图3）。根据燃烧的生态系统和位置，结合野外观察和测量，将野火分为森林野火和更开阔的环境野火（现代通常称为草原火）（ Scott，1989; Petersen，1993; Hui Jianguo et al.，2024）。根据燃烧物质和温度的不同，利用丝质体反射率可以恢复古野火的燃烧温度并确定其类型，森林野火可以分为 3 种类型:地下火、地表火和林冠火（Perrakis et al.，2023; Guo Hanwen et al.，2024）（图4）。 ①燃烧地表落叶层之下有机质的地下火，温度在 300℃左右; ②燃烧地表落叶层、草本植物和灌木的地表火，温度在 600℃左右; ③燃烧树木树冠和大型灌木的树冠火，温度在 800℃ 左右，甚至更高（ Scott and Jones，1994; Perrakis et al.，2023; Guo Hanwen et al.，2024）。 Jones（1997）最早得出了惰质组反射率与形成温度之间的非线性对应关系并沿用至今，燃烧温度大致可以通过公式进行计算（ Guo and Bustin，1998; Sellwood and Valdes，2008; Petersen and Lindström，2012）:
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图2 新疆准噶尔盆地南部郝家沟剖面典型丝质体显微镜与扫描电镜特征图
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Fig.2 Typical characteristics of fusinite under microscopy and scanning electron microscopy from the Haojiagou section in the southern Junggar Basin, Xinjiang
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（a）丝质体，上三叠统郝家沟组，准噶尔盆地南缘，偏光显微镜;（b）、（c）丝质体，下侏罗统八道湾组，准噶尔盆地南缘，偏光显微镜;（d）—（f）丝质体纵切面的植物细胞和管腔，下侏罗统八道湾组，准噶尔盆地南缘，扫描电镜
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(a) fusinite, Upper Triassic Haojiagou Formation, southern Junggar Basin, polarizing microscope; ( b) , ( c) fusinite, Lower Jurassic Badaowan Formation, southern Junggar Basin, polarizing microscope; (d) — (f) cross-sectional view of plant cells and spore cavity of fusinite, Lower Jurassic Badaowan Formation, southern Junggar Basin, scanning electron microscope
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近年来有部分学者依据不同参数建立了修正模型（Yan Zhiming et al.，2019）:
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其中，T 为惰质组形成时的温度（℃）; Ro 为所测得煤的惰质组反射率（%）; r2 是相关系数。
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图3 Charcoal 的研究方法和应用领域（据 Scott，2010; 许云，2019 修改）
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Fig.3 Research methods and application fields of charcoal (modified from Scott, 2010; Xu Yun, 2019&)
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利用惰质组反射率判别古野火类型的研究在不同地区不同层位均有体现（ Wang Shuai et al.，2019; 杨博等，2022）。鄂尔多斯盆地中侏罗统煤层中的惰质组反射率测量结果为 0.657~1.494%，对应野火的燃烧温度为 261~360℃（ Zhang Zhihui et al.，2020），古野火类型以低温的地下火和地表火为主（许云等，2022）; 新疆准噶尔盆地南缘中侏罗统西山窑组煤岩学分析结果证实野火普遍存在，且大多数野火是低水平地表火和高水平地下火（ Hou Haihai et al.，2022），准噶尔盆地东部中侏罗统煤层惰质组含量及其反射率等特征反映出该煤层沉积过程中至少经历了 3 次野火频繁期，且以中低温地下火为主（杨博等，2022），新疆大龙口地区木炭化石的反射率测定结果反映出该区古野火发生的层位及古环境信息（蔡垚峰，2019）; 东北地区早白垩世古野火以地表火为主（ Wang Shuai et al.，2019）; 依据平顶山煤田下二叠统山西组煤的惰质组反射率测量结果，推断出古野火以低温和中温的地表火为主（Gao Di et al.，2023）。印度古尔哈褐煤矿的古近纪褐煤及其伴生沉积物的惰质组含量及反射率测定结果表明，该研究区古野火燃烧温度介于 300~798℃，相对应的野火类型主要为地下火，其次为地表火和林冠火（ Shukla et al.，2023）; 瑞士及丹麦三叠系和侏罗系界线处样品的惰质组反射率测量和孢粉学数据表明，界线前期沼泽野火以高温林冠火为主，晚期的沼泽野火更频繁，但以较低温地表火为主（ Petersen and Lindström，2012）。综上，显微煤岩组分分析在揭示野火事件及其古气候之间的响应关系方面有着显著成效（ Page et al.，2002; Wolbach et al.，2003），且研究古野火对古气候的影响对如何应对当前环境下全球气候变暖具有重要的指示性意义。
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图4 野火类型及特征（据 Scott et al.，2014 和邵龙义等，2024 修改）
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Fig.4 Wildfire type and characteristics (modified from Scott et al., 2014; Shao Longyi et al., 2024&)
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（2）古大气含氧量的厘定。野火的产生主要受热量、燃料、大气氧含量以及大气水分的影响（Glasspool et al.，2015）。关于着火的临界氧气条件此前已有诸多学者进行了相关研究，在不同的时空尺度和观测建模下，不同学者提出的着火点氧气含量稍有不同，现在大部分学者认为可供燃烧的最低氧含量为 15%（ Pausas and Keeley，2009; 张新智等，2022）。当氧气含量高于 35%时，植物几乎能在一切状态下被点燃且完全燃烧（Pausas and Keeley，2009）。当氧气水平在高于 18.5%时野火可处于蔓延趋势，而当氧气含量低于 18.5%时，野火活动将被显著抑制，并且在低于 16%时趋于停止（Belcher and McElwain，2008）。当今大气氧气含量大约是21 %，且经研究发现显生宙时期大气氧含量发生过明显的波动（Clark et al.，1996; Scott and Glasspool，2006）。大陆植被是一种潜在的燃料来源，但其水分含量的异质性决定了其易燃性（ Watson and Lovelock，2013）。在大多数情况下，燃料的水分需要首先排出才能点燃，因此含水量较高的燃料需要更长的加热时间。根据丝炭记录，燃料燃烧需要 16%至 30%的氧含量。当氧含量低于 16%时，即使燃料的水分含量很低，它也不会被点燃。相反，高氧水平可以促进高湿度燃料的燃烧（ Watson and Lovelock，2013）。
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深时地质时期的大气氧含量厘定主要依靠模型计算。前人根据有机物和海洋碳酸盐的碳同位素记录对古氧含量进行了估算，推测出侏罗纪氧气水平低于 16%，在如此低氧气含量水平下燃烧是很困难的（Belcher et al.，2010），这与当时惰质组的大量存在以及野火大范围频繁燃烧的证据相悖。国外学者根据修订后的预测模型，计算出侏罗纪大气氧含量水平范围为 20%~27%（ Millspaugh and Whitlock，1995）。 Glasspool 和 Scott（2010）根据惰质组含量计算 400 Ma 以来的大气氧含量（氧气的体积分数），并基于大量相关数据修正完善模型，建立了惰质组与氧含量的线性关系:
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基于此公式，重新计算了晚古生代的大气氧含量，氧含量在乌拉尔世（早二叠世）中—晚期达到最大值 28%（Glasspool et al.，2015）。其中 I 是惰质组含量，V（ O2）是大气氧含量（ 氧气的体积分数），V（O2）min 是惰质组含量为 0 时的大气氧含量，V（O2） max 是惰质组含量达到 100%时的大气氧含量，n 是控制 s 曲线的最大陡度。有多位学者利用此模型对研究区煤样中的惰质组含量进行研究，厘定出了多个地区成煤时期的大气氧含量，如云南晚二叠世的大气氧含量为 28%（Shao Longyi et al.，2012）; 华北盆地以南的平顶山煤田下二叠统山西组古大气含氧量为 24.29%（Gao Di et al.，2023）; 东北早白垩世阿尔布阶和阿普特阶的大气氧含量分别为 24.7%和 25.3%（Wang Shuai et al.，2019）; 鄂尔多斯盆地中侏罗统阿林阶成煤时期的大气氧含量约为 29%（Zhang Zhihui et al.，2020）; 新疆准南中侏罗统西山窑组下段、中段和上段的无矿物基平均惰质组含量分别为 40.5%、22.6%和 16.1%，对应西山窑组下部、中部、上部氧含量依次为 26.78%、24.55% 和 23.55%（Hou Haihai et al.，2022）。
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3 古野火事件对古生态系统的影响
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古往今来，野火事件在全球范围均有不同程度的频发，作为地球历史的积极参与者，极大的影响着古今全球气候、动植物演化、生态循环以及元素的分布变迁，现代野火更是严重的影响了人类的社会经济活动和生命安全。野火与生态系统之间的存在显著的正反馈关系，厘清野火生态效应在全球气候变暖、生物大灭绝等方面具有重大指示意义。
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（1）野火与植物的相互影响。野火对植物的生长环境、种群组成和发育结构有重大影响。野火事件的频发摧毁植被，同时释放出了大量排放物，能够引发地区生态系统的跳跃或倒退演化，严重破坏着地表植物生态群落原有的演替进程，还在一定程度上影响着植物多样性和部分植物器官的演化方式（Belcher and McElwain，2008）。 Archibald 等（2018） 指出仅通过对气候和土壤的研究不足以解释野火和植被的演化模式，由此重新建立了“植物特征如何影响生态系统可燃性的概念框架”（图5）。野火发生机制受生态系统可燃性和气候条件影响，就长时间尺度而言，生物圈演化和大气圈碳元素、磷元素分别控制着植被分布和大气成分，大气成分不仅能够影响燃料的可燃性，还会影响植被的生长状态，各种因素相互反馈影响着野火的发生机制; 较短时间尺度而言，动植物群落的分布决定了野火燃烧燃料的数量，野火在燃烧时会释放出大量的温室气体和气溶胶等排放物（ Burazer et al.，2020; 胡海清等，2020; 高仲亮等，2021），前者会使全球温室效应加剧，后者则会导致大气的反射改变或是增大叶片气孔导度、增强植被光合作用，从而直接或间接地参与到常见元素（碳、氧）的自然循环中（图5）（Kump，1988; Lenton and Watson，2000; 张原等，2024），进而影响野火的燃烧机制。无论是长期还是短期效应，野火都通过生物圈和大气圈进行能量和物质交换以及生物群落演替和进化发挥作用。植物与野火之间存在着相互演化关系，植被对野火的耐受程度随着植物的进化发生改变，从晚古生代开始植物— 野火相互作用的演变过程可以概括为不耐火—可以抵御火—需要火（Glasspool et al.，2015），如现代桉树能够适应高频野火环境，在很大程度上与其在白垩纪到古近纪长时间频繁发生野火演替有关（Brown et al.，2012）。反过来植被的易燃性又可以改变野火状态，且在一定程度上影响着全球生物地球化学过程，如美国夏威夷野火燃烧程度愈渐剧烈，这与该岛上植被干旱程度的增加有关。
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图5 野火对大气圈和生物圈的影响（据 Archibald et al.，2018 修改）
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Fig.5 Impact of wildfire activities on the atmosphere and biosphere processes (modified from Archibald et al., 2018)
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（2）野火与动物的相互影响。野火对动物的影响可分为直接影响和间接影响，其中直接影响是烧死动物或燃烧释放有毒气体使动物窒息死亡，造成动物的数量和种类的改变进而影响动物的多样性和演替进程（Russell and Tomeček，2016），如澳大利亚 2019 年的特大规模野火持续了 7 个月，超过 12.5 亿只动物葬生于此，近 100 种动物面临着灭绝的风险（Deb et al.，2020）。高泰（2023）基于云南松林火灾后鸟类多样性和演替进程研究，发现高强度火会显著降低鸟类的多样性，干扰体型较大鸟类、食种鸟类、地面筑巢鸟类的多样性，显著降低杂食性、食花性、食虫性鸟类、灌丛筑巢等鸟类的多样性。间接影响体现在野火影响陆生动物生存的地区气候，烧焦的植被和土地对该地区的热量吸收和动物的分布有影响; 野火燃烧减少溪边植被，增加水底沉积物，水温提高往往使水生动物栖息地恶化，增加疫病感染率，这些都间接地影响动物的生存环境（Russell and Tomeček，2016）。
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动物对野火的影响作用极其细微，只在某种特定的条件下对野火能起到促进或阻碍作用。野生动物的生活、栖息、取食等自身生态活动可导致易燃性因素增加，部分动物的活动与习性可影响野火的发生，即改变野火的燃料数量和形式、燃烧区域和状态以及直接或间接参与燃料的生成和分解等方面（Foster et al.，2020）。如“火鹰”为捕食到猎物，会将燃烧的树枝叼到未燃烧区域使猎物跑出，从而扩大野火燃烧区域（Bonta et al.，2017）; 鹿、麋等草食性动物进食林下植物和枯枝落叶可减少可燃物容量从而抑制野火的发生; 动物行走时所踩出的凹陷又可以帮助防火带的建立，阻碍野火的蔓延。
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（3）野火与古生态系统的相互影响。规模大、持续时间长的野火事件对动植物和气候产生重要影响，而气候的变化又会影响生态系统。野火产生的烟雾颗粒主要由有机碳（OC）和黑碳（BC）组成，OC 由于经历光化学反应，其寿命很短，只有几个小时（Forrister et al.，2015），BC 难降解，其光吸收更持久，烟雾中的 BC 质量分数决定着烟羽上升的速度。一项模拟研究发现（Mills et al.，2008），核武器爆炸引发火灾中产生的 BC 加热了空气，并将大量的水蒸气输送到平流层上层，破坏了平流层的臭氧（图6），这不仅会改变地球的辐射平衡，还可能加剧全球气候的变暖。相较于图5 中的长期—短期机制而言，图6 则具体地展示了野火燃烧的短期效应机制，野火燃烧后释放的温室气体、气溶胶等物质进入大气圈层，加剧温室效应并使得臭氧层被破坏，促进植物进行光合作用产生氧气，同时由于 C、N、P、S 等元素的加入提高了水体初级生产力，使得大气氧含量升高，为野火燃烧提供了正反馈。如东南亚热带森林地区于 1997 年发生的野火，共释放了约 0. 08~0.252 Gt 的 CO2（Page et al.，2002），巨量的温室气体造成了气候变暖，气候变化导致了海洋的富铁营养化，从而使印度洋上的珊瑚礁大量死亡。野火是造成史前数次生物大灭绝的主控因素（Shao Longyi et al.，2012; 方琳浩等，2022; 侯海海等，2023; Zhang Peixin et al.，2023），如二叠纪—三叠纪、白垩纪— 古近纪之交由火山活动引发的全球性的野火造成了陆生和水生生物大灭绝，它不仅改变了陆生植物的演替和物种多样性，还造成了水生需氧生物的覆灭和生态系统的恶化（Zhang Peixin et al.，2023）。
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野火事件的频繁发生会对地球系统造成长期的影响，遭受野火灼烧过后的土壤更容易被剥蚀搬运，地表土壤内的磷元素随着径流进入海水，使得海洋初级生产力提高，进而促进氧含量的持续上升，最终致使野火更易产生（Berner，2023）。各个圈层间的循环是影响地球系统的先决条件，目前研究证实野火事件对气候与生态环境的影响极大，且两者的周期性变化是它们相互制约的结果（Bowman et al.，2009），在某种程度上可认为野火的发生实际上是对极端气候如高温或干旱的响应（ 吕大炜等，2024）。植被的生长演化也与野火和气候存在相关性。首先，在燃烧过程中植被体内的碳、氮等元素会转化到所形成的温室气体中，根据气候模拟结果显示，当大气 CO2 含量增加一倍时未来 100 年气温增幅达到 1.4℃~5.8℃（Griggs and Noguer，2002）。其次，当气候受野火影响，由先前转为不适宜植被生长条件时，野火的燃料数目将会随之减少，可燃物载量的变化又会制约野火发生的强度、持续时间及频率。
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图6 野火对气候的影响及其与生态系统破坏正反馈模式图（据 Schach at et al.，2018 和 Yu Pengfei et al.，2019 修改）
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Fig.6 Wildfire effects on climate and its ecosystem destruction positive feedback pattern (modified from Schachat et al., 2018; Yu Pengfei et al., 2019)
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4 结论和展望
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（1）与“ICCP system 1994”分类相比较，我国烟煤显微煤岩组分分类方案既有特色，也有差异。特色主要体现在类脂组中的树皮体和荧光体等特有的显微亚组分分类，国内外现行分类方案的差异主要体现在分类依据、分类原则、3 种显微组分组的具体定义等 3 个方面。建议进一步掌握国际和国内分类标准差异及其显微（亚）组分对应关系，根据研究习惯和交流对象合理选择分类方案。
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（2）显微煤岩组分的成因分类推进了成煤期古野火及其古生态的深入研究。古野火事件与古生态演化变迁关联密切，在生物大灭绝与全球极端气候响应等方面扮演重要角色。显微煤岩组分分析作为古野火特征评价的有效手段，可通过惰质组反射率的大小推算燃烧温度从而判断古野火发生强度及类型; 借助惰质组含量可推算出古氧气含量，从而进一步分析古气候演变条件。
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（3）野火燃烧会释放出大量的温室气体和气溶胶等排放物，严重影响了古大气和动植物生存环境，从而进一步威胁着生态系统，而生态系统的改变又会制约野火发生的强度、持续时间及野火频率发生变化，因此野火与生态系统之间存在着相互影响和制约的关系，在此基础上提出了野火和生态系统的正反馈模式。
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（4）不同成煤期、不同纬度带显微煤岩组分分析及其反映的古野火数据还需要进一步丰富，构建大数据驱动下的全球惰质组时空分布数据库。在全球极端气候事件频发背景下，借助现代野火与生态气候的反馈机制，结合跨越千年时间尺度的树木年轮记录、海洋沉积物、湖泊沉积物、土壤和冰芯记录，对比分析现代火灾与古野火发生机制，量化不同因素的相对重要性，更好地阐明并预测未来由于气候变化导致的野火频率和强度。
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摘要
显微煤岩组分定义和分类的中国国家标准自中国煤田地质专业委员会煤岩学组成立以来历经 33 a (1980-2013 年)完成,国际标准“ICCP system 1994”是国际煤和有机岩石学委员会( ICCP)历经 26 a(1991-2017 年) 完成,但经过数十年发展国内外分类方案仍存在诸多差异。通过对比中国和国际显微组分分类方案,发现中国 3 次分类方案的演变主要体现在具体分类类别上,与国际显微组分分类方案的差别主要体现在镜质组和类脂组的分类类别和成因差异。建议根据研究习惯和交流对象合理选择分类方案,但需要明确不同分类方案下的显微(亚)组分类型。惰质组是煤中最常见和最重要的显微组分组之一,常作为古野火发生的指示物。利用惰质组中丝质体反射率可推算燃烧温度,从而判断古野火发生强度及类型,根据惰质组相对含量可厘定古氧气含量,惰质组在大气圈和岩石圈的滞留和沉积过程可分析古野火对古生态系统的影响。古野火作为古生态的重要影响因子,显微煤岩组分分析可以揭示古大气成分和古生态群落演替等信息,有助于人类探究当前环境下全球气候变暖和关键地质历史时期古生物灭绝原因。
Abstract
The Chinese National Standard for the definition and classification of coal macerals has been completed over 33 years (1980~2013) since the establishment of the Coal Petrology Group of the China Coalfield Geology Professional Committee, while the International Standard “ ICCP system 1994” was completed over 26 years (1991 ~ 2017) by the International Committee on Coal and Organic Petrology ( ICCP ). However, after decades of development, there are still many differences in classification schemes at home and abroad. By comparing the Chinese classification scheme of bituminous coal maceral and “ICCP system 1994”, it is found that the evolution differences of the Chinese tertiary classification scheme are mainly reflected in the specific classification categories, whereas the differences at home and abroad are mainly reflected in the maceral classification categories and causes of the vitrinite and the liptinite. It is suggested that reasonable scheme can be selected by scholars according to studying habits and communication object. However, it is necessary to clarify the maceral and sub-maceral types under different classification schemes. As one of the most common and important maceral groups in coal, inertinite can serve as an indicator for the occurrence of paleowildfires. The combustion temperature can be calculated based on the reflectivity of fusinite in the inertinite to determine the intensity and type of paleowildfires. The content of paleooxygen can be determined based on the relative content of inertinite. The retention and sedimentation of inertinite in the atmosphere and lithosphere can reflect the impact of paleowildfires on paleoecology. As an important influencing factor on paleoecology, paleowildfires can reveal information on the composition of the palaeoatmosphere and the succession of paleoecology communities through the analysis of macerals in coal. To some extent, this can help human explore the current global climate warming and the reasons for paleontological extinction during the key geological boundary.
